>成都軌道交通18號(hào)線綜合接地方案的優(yōu)化

邵 君

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 610031， 成都∥高級(jí)工程師)

城市軌道交通機(jī)電設(shè)備種類繁多、數(shù)量龐大，其綜合接地系統(tǒng)是保證設(shè)備安全、確保運(yùn)維人員安全的重要措施。城市軌道交通線路通常采用直流牽引供電制式，但是隨著城市范圍的延伸，滿足市域范圍內(nèi)客運(yùn)交通需求的市域軌道交通線長(zhǎng)度較長(zhǎng)，對(duì)列車最高運(yùn)行速度的要求也隨之增加。為此，部分市域軌道交通項(xiàng)目改用供電能力較強(qiáng)的交流牽引供電制式。

目前，采用交流牽引供電制式的城市軌道交通項(xiàng)目中，除牽引供電系統(tǒng)外，其余系統(tǒng)(包括通信、信號(hào)、隧道、橋梁、軌道等)的設(shè)計(jì)方案與直流制式下的設(shè)計(jì)方案基本一致。這導(dǎo)致了這些系統(tǒng)的接地?zé)o法沿用交流牽引制式的鐵路方案，也無(wú)法采用傳統(tǒng)直流牽引制式的城市軌道交通方案。因此，很有必要對(duì)交流牽引供電下的市域軌道交通線的綜合接地系統(tǒng)進(jìn)行研究。本文以成都軌道交通18號(hào)線(以下簡(jiǎn)稱“18號(hào)線”)為例，對(duì)該線綜合接地系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及其優(yōu)化措施進(jìn)行分析，以期為交流牽引供電下市域軌道交通線路的綜合接地方案優(yōu)化提供參考。

1 交流牽引供電下鐵路線的接地方案

關(guān)于交流牽引供電的綜合接地，鐵路上有一套完整的規(guī)程和規(guī)范，其實(shí)施均參考原鐵道部經(jīng)濟(jì)規(guī)劃研究院發(fā)布的標(biāo)準(zhǔn)圖冊(cè)——《鐵路綜合接地系統(tǒng)》(圖號(hào)為通號(hào)(2009)9301)。在城市軌道交通項(xiàng)目中，采用直流供電制式的綜合接地方案有很多已開(kāi)通運(yùn)營(yíng)的工程案例，但采用交流牽引供電制式的城市軌道交通項(xiàng)目中可供參考的工程實(shí)施案例較少。目前，交流供電制式下鐵路接地系統(tǒng)的實(shí)施主要有以下兩種方案：

方案一：以速度等級(jí)小于160 km/h、敷設(shè)信號(hào)專用貫通地線的鐵路工程為代表[1]，敷設(shè)對(duì)地電阻小于或等于1 Ω的貫通地線，使之成為接地平臺(tái)，以實(shí)現(xiàn)線路沿線信號(hào)等弱電系統(tǒng)設(shè)備的等電位連接。該接地系統(tǒng)與強(qiáng)電系統(tǒng)的接地系統(tǒng)需保持一定的安全距離。

方案二：以速度等級(jí)為200 km/h及以上的高速鐵路工程為代表，設(shè)置貫通地線[2]，強(qiáng)電和弱電系統(tǒng)均通過(guò)貫通地線構(gòu)建等電位平臺(tái)，形成綜合接地系統(tǒng)。工程實(shí)施時(shí)，將鐵路線路兩側(cè)附近20 m范圍內(nèi)的其他設(shè)施及距離接觸網(wǎng)帶電體5 m范圍內(nèi)需接地的設(shè)備和接地裝置根據(jù)需要就近接入綜合接地平臺(tái)[2-4]。在等電位接入綜合接地系統(tǒng)時(shí)，強(qiáng)電設(shè)備接地系統(tǒng)和弱電設(shè)備接地系統(tǒng)間需保持一定的安全距離。

2 18號(hào)線接地系統(tǒng)原設(shè)計(jì)方案

2.1 城市軌道交通和鐵路的工程特點(diǎn)對(duì)比分析

18號(hào)線工程采用地鐵制式8節(jié)編組市域A型車，采用AC 25 kV架空懸掛接觸網(wǎng)供電，其他系統(tǒng)(通信、信號(hào)、橋梁、隧道、軌道等)的設(shè)計(jì)方案與直流供電模式下常規(guī)城市軌道交通線路的設(shè)計(jì)方案基本一致。為設(shè)計(jì)出適合本工程特點(diǎn)的接地系統(tǒng)方案，設(shè)計(jì)者對(duì)城市軌道交通和鐵路的工程特點(diǎn)進(jìn)行了對(duì)比分析，兩者主要有以下幾個(gè)方面的區(qū)別：

1) 土建施工方法不同：鐵路工程地面段及高架段較多,由于鋼軌與大地沒(méi)有絕緣,鋼軌、大地一起接受列車的牽引回流，其牽引回流的主要路徑為大地回流、鋼軌回流及回流線；城市軌道交通工程有較多的隧道區(qū)間，其施工方法大多采用盾構(gòu)法，這導(dǎo)致經(jīng)過(guò)隧道區(qū)段大地的回流較少[4-5]，城市軌道交通工程牽引回流的主要路徑為鋼軌、回流線和貫通地線。

2) 區(qū)間電纜的敷設(shè)方式不同：鐵路工程一般采用電纜槽，電纜支架的使用較少；城市軌道交通工程中有大量的電纜支架，且在對(duì)線路進(jìn)行檢查、維修時(shí)常常會(huì)與之相接觸。

3) 信號(hào)的傳輸方式不同：鐵路工程一般采用軌道電路來(lái)傳輸列車運(yùn)行控制信息；城市軌道交通不采用軌道電路進(jìn)行信號(hào)傳輸。

4) 貫通地線的敷設(shè)方式不同：鐵路工程一般采用預(yù)埋/敷設(shè)電纜槽的方式；城市軌道交通工程隧道內(nèi)一般不設(shè)置電纜槽。

5) 行車密度不同:城市軌道交通線路的行車密度較高，通常為30對(duì)/h；與之相比，鐵路的行車密度較低。

2.2 交流牽引供電下城市軌道交通線路的綜合接地系統(tǒng)

綜上所述，18號(hào)線工程不推薦參照既有鐵路接地系統(tǒng)方案。在綜合考慮接地電阻、等電位連接、鋼軌電位、接觸電壓和跨步電壓、系統(tǒng)安全、電流腐蝕等基本要素后，本文提出一種應(yīng)用于交流牽引供電制式的城市軌道交通綜合接地系統(tǒng)[6]。該綜合接地系統(tǒng)將牽引供電、動(dòng)力照明、信號(hào)、通信、信息等系統(tǒng)設(shè)備，以及建筑物、道床、站臺(tái)、橋梁、隧道、聲屏障等需接地的裝置通過(guò)共用地線連成一體，以上/下行鋼軌作為主接地載體，以沿線架設(shè)的上/下行牽引網(wǎng)回流線為輔助接地載體，形成等電位綜合接地平臺(tái)。

如圖1所示，交流牽引供電系統(tǒng)回流通路由上/下行鋼軌、接觸網(wǎng)回流線及大地構(gòu)成[7-9]。上/下行鋼軌導(dǎo)體相隔500～600 m，實(shí)現(xiàn)完全橫向連接。該回流通路與沿線車站綜合接地網(wǎng)、區(qū)間風(fēng)井接地網(wǎng)、聯(lián)絡(luò)橫通道接地網(wǎng)、牽引變電所接地網(wǎng)、隧道及橋梁等接地裝置單點(diǎn)可靠連接，可降低接地電阻。弱電系統(tǒng)在區(qū)間電纜支架上設(shè)置接地連接體，連接體每隔500～600 m斷開(kāi)一次，每段接地連接體與鋼軌連接一次。該等電位綜合接地平臺(tái)可避免各系統(tǒng)因與強(qiáng)電工作地相聯(lián)而成為強(qiáng)電系統(tǒng)的回流通路，有效解決交流牽引供電下城市軌道交通項(xiàng)目的接地問(wèn)題，充分保障人身安全、設(shè)備安全及運(yùn)營(yíng)安全。

注：箭頭為牽引回流的方向。

本文結(jié)合18號(hào)線的實(shí)際線路情況，對(duì)采用不同施工方法的施工區(qū)段構(gòu)建了不同的接地系統(tǒng)，具體包括盾構(gòu)隧道區(qū)段及車站接地系統(tǒng)、礦山法隧道接地系統(tǒng)、聯(lián)絡(luò)橫通道接地系統(tǒng)、區(qū)間風(fēng)井接地系統(tǒng)、高架橋區(qū)段接地系統(tǒng)及路基區(qū)段接地系統(tǒng)等。將這些接地系統(tǒng)與鋼軌相連，即可形成18號(hào)線工程的綜合接地系統(tǒng)。

1) 盾構(gòu)隧道區(qū)間和上下行聯(lián)絡(luò)橫通道處：設(shè)置水平接地體和垂直接地體，構(gòu)建隧道復(fù)合接地系統(tǒng)；該復(fù)合接地系統(tǒng)與上行鋼軌、下行鋼軌分別單點(diǎn)連接，構(gòu)成等電位連接體。

2) 礦山法區(qū)段：土建隧道施工時(shí)參考《鐵路綜合接地系統(tǒng)》，每隔200 m預(yù)留1個(gè)接地端子；該接地端子在土建施工時(shí)實(shí)施；弱電區(qū)間接地體接入該接地端子，以保證接地電阻滿足要求。

3) 高架區(qū)段：在橋墩下設(shè)置橋下接地網(wǎng)，橋墩上部左右兩側(cè)分別設(shè)置接地端子；接地端子通過(guò)接地引下線與橋下接地網(wǎng)連接；每隔一定距離將上行和下行鋼軌單點(diǎn)連接，并與橋墩上部預(yù)留的強(qiáng)電接地端子連接，以構(gòu)成等電位連接體。

4) 路基區(qū)段：每隔一定距離將上行和下行鋼軌、上行和下行牽引網(wǎng)回流線單點(diǎn)連接，以構(gòu)成等電位連接體。

在上述全部區(qū)段內(nèi)，強(qiáng)電環(huán)網(wǎng)區(qū)間電纜支架上的接地扁鋼、弱電區(qū)間電纜支架上的接地扁鋼每隔一定距離斷開(kāi)一次。每段接地扁鋼在其中間位置與上行和下行鋼軌單點(diǎn)可靠連接一次。相鄰軌道板鋼筋連接在一起，每隔一定距離斷開(kāi)一次，每段連續(xù)的軌道板鋼筋在其中間位置與上行和下行鋼軌單點(diǎn)可靠連接一次，以構(gòu)成等電位連接體。參照相關(guān)試驗(yàn)資料及工程上普遍認(rèn)同的觀點(diǎn)，當(dāng)2個(gè)接地體的間距大于20 m時(shí)，二者的互阻為0[10]，因此，強(qiáng)電區(qū)間接地扁鋼、弱電區(qū)間接地扁鋼在鋼軌單點(diǎn)連接點(diǎn)的距離均應(yīng)大于20 m。

3 18號(hào)線弱電接地系統(tǒng)優(yōu)化措施

18號(hào)線在施工階段按上述方案進(jìn)行施工，但在調(diào)試階段出現(xiàn)了部分區(qū)間計(jì)軸受擾的情況。計(jì)軸受擾主要出現(xiàn)在列車過(guò)分相區(qū)及接觸網(wǎng)停送電過(guò)程中。為此，本文對(duì)該問(wèn)題進(jìn)行詳細(xì)的測(cè)試及分析，并提出弱電系統(tǒng)的優(yōu)化措施。

3.1 過(guò)分相區(qū)的接地優(yōu)化

列車過(guò)分相區(qū)時(shí)需切斷受電弓主斷路器，利用列車慣性滑行通過(guò)無(wú)電區(qū)域，在進(jìn)入下一個(gè)供電分區(qū)后列車閉合受電弓主斷路器。此過(guò)程中，列車先停電后受電，牽引回流突變產(chǎn)生較大的電磁場(chǎng)，干擾了計(jì)軸磁頭，進(jìn)而影響了計(jì)軸磁頭的正常工作。

經(jīng)測(cè)試及分析，采集得到列車過(guò)分相區(qū)時(shí)受擾磁頭的波形，其峰值為8.415 V，超出了計(jì)軸磁頭設(shè)備電磁兼容的最大容許值，因此需要進(jìn)一步優(yōu)化計(jì)軸設(shè)備。為增加設(shè)備的抗沖擊能力，改善設(shè)備的電磁兼容性能，將計(jì)軸設(shè)備的縱向起動(dòng)電壓調(diào)整到350 V。采用新設(shè)備后，計(jì)軸系統(tǒng)不再出現(xiàn)受擾占用的情況，但從波形采集分析結(jié)果看，計(jì)軸磁頭仍存在脈沖干擾的情況。進(jìn)一步分析后得知，受到脈沖干擾的計(jì)軸磁頭，其位置主要在分相區(qū)附近。為此，在分相區(qū)增加吸上線，以減少牽引回流的干擾。經(jīng)檢測(cè)，上述措施可有效解決列車過(guò)分相區(qū)時(shí)計(jì)軸區(qū)段因計(jì)軸磁頭受擾而輸出線路區(qū)段被異常占用的問(wèn)題。

3.2 正線的接地優(yōu)化

在接觸網(wǎng)停送電過(guò)程中，18號(hào)線部分正線聯(lián)鎖區(qū)邊界相關(guān)計(jì)軸傳輸通道受擾，導(dǎo)致這些區(qū)段輸出線路區(qū)段被異常占用的信息。根據(jù)計(jì)軸受擾波形分析可能存在的影響因素，從計(jì)軸傳輸通道上看，干擾信號(hào)傳輸?shù)穆窂街饕杏?jì)軸電纜、強(qiáng)弱電區(qū)間接地扁鋼、鋼軌及回流線等。本文對(duì)可能的干擾路徑進(jìn)行了調(diào)查分析，并對(duì)部分干擾路徑作了測(cè)試排查。在接觸網(wǎng)停送電過(guò)程中采集得到計(jì)軸磁頭受擾波形，該波形類似1個(gè)正弦波。同時(shí)對(duì)計(jì)軸通道芯線的對(duì)地電壓進(jìn)行了監(jiān)測(cè)，其最大電壓值為174 V。

為了進(jìn)一步分析計(jì)軸受擾的情況，對(duì)受擾線路區(qū)段內(nèi)的1個(gè)車站進(jìn)行接地電阻測(cè)試。采用接地電阻測(cè)試儀測(cè)試接地點(diǎn)的接地電阻(采用三極法測(cè)試)，得到的測(cè)試結(jié)果如表1所示。

如表1所示，計(jì)軸電纜接續(xù)盒處與弱電區(qū)間接地扁鋼斷開(kāi)時(shí)，測(cè)得的接地電阻為243.00 Ω。

此外，在軌旁弱電扁鋼與鋼軌連接線斷開(kāi)的情況下，在車站接觸網(wǎng)停送電過(guò)程中使用監(jiān)測(cè)記錄儀采集弱電區(qū)間接地扁鋼與鋼軌之間的電位差，得到的測(cè)試結(jié)果為0.9 V。在計(jì)軸電纜接續(xù)盒接地端與弱電區(qū)間接地扁鋼斷開(kāi)的情況下，在車站接觸網(wǎng)停送電過(guò)程中使用監(jiān)測(cè)記錄儀采集計(jì)軸電纜屏蔽層與弱電區(qū)間接地扁鋼之間的電位差，得到的測(cè)試結(jié)果為26.9 V，該電位差較大，因此，計(jì)軸電纜屏蔽層應(yīng)與弱電區(qū)間接地扁鋼連接。而弱電區(qū)間接地扁鋼與鋼軌斷開(kāi)后，弱電區(qū)間接地扁鋼與鋼軌的電位差可忽略不計(jì)，仍可認(rèn)為兩者是等電位連接。

表1 計(jì)軸受擾車站的接地電阻測(cè)試結(jié)果

在工程實(shí)施時(shí)，具體的做法是：將弱電區(qū)間接地扁鋼與鋼軌的連接斷開(kāi)，將斷開(kāi)的弱電區(qū)間接地扁鋼連接起來(lái)。同時(shí)，將弱電區(qū)間接地扁鋼與車站接地系統(tǒng)、區(qū)間風(fēng)井接地系統(tǒng)、礦山法隧道接地系統(tǒng)、聯(lián)絡(luò)橫通道接地系統(tǒng)、高架橋區(qū)段接地系統(tǒng)及路基區(qū)段接地系統(tǒng)連接起來(lái)。

4 結(jié)語(yǔ)

在18號(hào)線工程的調(diào)試過(guò)程中，從改善設(shè)備性能和優(yōu)化接地方案兩個(gè)方面對(duì)原有的設(shè)計(jì)方案及設(shè)備進(jìn)行了調(diào)整，從目前運(yùn)營(yíng)情況看，調(diào)整后取得了較好的效果，后續(xù)將繼續(xù)跟蹤18號(hào)線工程沿線設(shè)備的運(yùn)營(yíng)情況。建議在進(jìn)行交流牽引供電下市域軌道交通線路設(shè)計(jì)時(shí)，首先應(yīng)在設(shè)備選型上滿足電磁兼容的相關(guān)要求，其次計(jì)軸點(diǎn)應(yīng)盡量不要設(shè)在分相區(qū)內(nèi)，同時(shí)應(yīng)盡量減少牽引回流對(duì)軌旁設(shè)備的干擾和影響。